Etude des détecteurs au Silicium à pixels dans un environnement radiatif

{Citation}REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université El-Hadj Lakhdar - BATNA 1

Faculté des Sciences de la Matière

Département de Physique

THÈSE

En vue de l’obtention du

Diplôme de Doctorat ès sciences

Présentée par :

DJAMAI Djemouai

Thème :

Etude des détecteurs au Silicium à pixels

dans un environnement radiatif

Spécialité : Physique

Soutenue le 03 /03 / 2021

Devant le jury :

Président :

Belgacem Bouzida Aissa

Professeur

Université de Batna1

Rapporteur :

Mohamed Chahdi

Professeur

Université de Batna1

Examinateurs :

Abdelhamid Benhaya

Professeur

Université de Batna2

Slimane Oussalah

Directeur de recherche

CDTA, Alger

Table des matières

Table des matières ... 1

Remerciements ... 3

Résumé ... 4

Abstract ... 5

خلم ص

... 6

Listes des acronymes et abréviations ... 7

Liste des figures ... 10

Liste des tableaux ... 13

Introduction ... 14

Chapitre I : Le LHC et les détecteurs de particules ... 17

1. Le Modèle standard de la physique des particules ... 17

2. Le grand collisionneur de hadrons ... 18

3. L’expérience ATLAS ... 20

3.1. Système de coordonnées ... 20

3.2. Le détecteur de traces ... 21

Chapitre II : Détecteurs de particules à semi-conducteur ... 34

1. Propriétés électriques du silicium ... 34

1.1. Structure cristalline et bandes d’énergie ... 34

1.2. Concentration des porteurs de charges dans le silicium intrinsèque ... 37

1.3. Silicium extrinsèque ... 39

1.4. Transport de porteurs de charge en silicium ... 42

1.5. Génération et Recombinaison ... 47

2. La jonction PN ... 55

2.1. Courant de fuite ... 59

2.2. La caractéristique inverse I-V ... 59

Chapitre III : Dommages induits par irradiations dans les détecteurs en

silicium ... 63

1. Généralité sur l’interaction rayonnement-matière ... 63

1.1. Interactions des particules chargées ... 63

1.2. Perte d’énergie par ionisation ... 64

1.3. Bremsstrahlung ... 66

1.4. Rayonnement Cherenkov ... 66

1.5. Rayonnement de transition ... 67

1.6. Interaction des photons avec la matière ... 67

2. Fonctionnement du détecteur sous irradiation ... 71

2.1. Dommages en volume ... 72

2.2. Dommages en surface ... 75

2.3. Impact des dommages d’irradiation sur les propriétés des capteurs ... 75

Chapitre IV : Les outils TCAD et méthodes de simulation ... 77

1.1. DeckBuild ... 78 1.2. ATHENA ... 78 1.3. ATLAS ... 80 1.4. DevEdit ... 80 1.5. TonyPlot ... 82 2. Modèles utilisés ... 82

2.1. Shockley Read Hall Recombination (SRH) ... 82

2.2. Rétrécissement de la bande interdite (Band-Gap Narrowing) 84 2.3. Le modèle « conmob » (Concentration -dependant mobility model) ... 84

2.4. Le modèle « fldmob » (Parallel Electric Field Dependant mobility model) ... 84

3. Les équations implémentées dans le simulateur ATLAS ... 85

3.1. Equation de Poisson ... 85

3.2. Equation de continuité ... 86

3.3. Simulation de processus ... 86

3.4. Simulation de la structure ... 87

Chapitre V : Dispositif expérimental ... 89

1. Technologie des bords actifs ... 89

1.1. Conception du capteur ... 90

1.2. Flux de processus pour la production de capteurs par le fabricant ... 91

1.3. Masques de lithographie ... 92

2. Méthode de spectroscopie de masse des ions secondaires (SIMS) ... 94

3. Mesure de I-V et C-V ... 97

3.1. Appareillages ... 97

3.2. Tests effectués ... 100

Chapitre VI : Résultats et analyse ... 103

1. Mesure du courant de fuite ... 103

2. La tension de déplétion Vdep ... 105

3. Simulation TCAD ... 108

3.1. Simulation de procédé ... 108

3.2. Définition de la structure ... 109

3.3. Etude des effets induits par l’irradiation dans les capteurs de pixels à bord actifs ... 111

3.4. Calibrage des paramètres des modèles physiques choisis ... 113

3.5. Distribution des trous ... 113

3.6. Distribution de champ électrique ... 114

3.7. Efficacité de la collection de charge (CCE) ... 117

Conclusion générale ... 120

Remerciements

Je tiens, tout d’abord, à remercier mon promoteur le Professeur Mohamed Chahdi, pour m’avoir permis d’intégrer son équipe et de m’avoir fait confiance durant toutes ces années de travail.

Je le remercie très vivement pour l’aide efficace, les conseils avisés et le soutien permanent qu’il m’a prodigué. Qu’il trouve ici l’expression de ma sincère reconnaissance et la marque de mon profond respect.

J’adresse mes profonds remerciements à Monsieur Abdenour Lounis, Enseignant chercheur à l’université Paris Saclay, pour m’avoir accueilli dans son laboratoire et Il m’a donné l’opportunité de rejoindre son groupe ATLAS et les activités de recherche pour réaliser ma thèse. Je le prie de trouver ici le témoignage de ma réelle gratitude.

Monsieur Slimane Oussalah, Directeur de Recherche au centre de développement des technologies avancés CDTA, Alger, s’est intéressé à mon travail. Je le remercie très vivement pour le temps qu’il m’a consacré pour les idées qu’il m’a prodiguées et enfin pour l’honneur qu’il me fait de siéger au jury de cette thèse, je le remercie très vivement et lui adresse l’expression de ma reconnaissance.

Dans le cadre de la publication de mon travail, tant d’efforts ont été déployés et ce travail n’aurait pu voir le jour sans l’aide précieuse de Monsieur Evangelos-Leonidas Gkougkousi , chercheur à l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN). Qu’ils trouvent parmi ces lignes toute ma reconnaissance.

Merci aux Professeurs Belgacem Bouzida Aissa, Abdelhamid Benhaya et Abdelkader Djelloul, d’avoir accepté de faire partie de mon jury et de lire soigneusement ma thèse. Qu’ils trouvent ici l’expression de ma très vive gratitude.

Mes remerciements vont également à tous mes amis dont le soutien me fut précieux. Je ne citerai pas de noms par peur d’en oublier certains. Ils se reconnaîtront sûrement !Je ne saurais clore ces remerciements sans témoigner toute ma reconnaissance à ma petite famille pour sa patience durant toutes ces années de travail ! Je pense très fort à mes chers parents. Ce travail c’est à eux que je le dédie !

Résumé

Le complexe d’accélérateurs du grand collisionneur de hadrons (en anglais Large Hadron Collider - LHC) fera l'objet de mises à niveau successives jusqu'à 2025 pour passer à la phase de haute luminosité (HL-LHC).

Pour relever les défis expérimentaux de l'augmentation de la luminosité instantanée jusqu'à un facteur 7 par rapport à la valeur 1034 _cm2_s -1 _{de conception de LHC, l'expérience} ATLAS subira un remplacement complet du trajectomètre interne (en anglais Inner Tracker - ITk) du système de suivi pour maintenir et améliorer les performances du détecteur actuel. En effet, ces améliorations correspondent à une augmentation d'environ de 140 à ~200 évènements par croisement de paquets comparé aux 50 collisions au LHC ; à cette fin, une technologie tout silicium a été choisie.

Pendant le fonctionnement du HL-LHC, afin d’atteindre une haute précision dans les études des processus physiques du modèle standard et les recherches d’une nouvelle physique, le collisionneur à protons devra fournir une luminosité intégrale de l’ordre 400 fb-1 _{par an et 4000 fb}-1 _{pendant une dizaine d’années. Ceci représente un ordre de grandeur} supérieur à l’ensemble de la période de fonctionnement du LHC.

Pour des raisons d’optimisation de coût de production pour des grandes surfaces en silicium et d’augmentation d'efficacité de collecte de charges, les capteurs de pixels planaires n-on-p à bords très minces sont des candidats prometteurs pour équiper des parties du nouveau système de pixels du HL-LHC.

Dans ce travail, les performances des capteurs planaires n-on-p à bords actifs ont fait l’objet d’études approfondies à des fluences d’irradiation élevées attendue dans le HL-LHC allant jusqu'à 1×10+16 _{neutrons équivalent par cm}2_{. Les performances visées dans cette} étude sont la tension de claquage, le courant de fuite ainsi que l’efficacité de la collection de charges.

Profitant de la technique de spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS), une représentation précise de la structure a été obtenue en termes de profil de dopage des constituants du détecteur. Les dégâts occasionnés par les radiations ont été modélisés par un modèle de piège à trois niveaux énergétiques localisés dans la bande interdite du silicium de type p et considérant une quantité croissante de charge dans l’oxyde avec la dose d’irradiation. Les paramètres physiques, tels que la distribution de la densité des trous et du champ électrique dans la profondeur du capteur de 150 µm d'épaisseur ont été étudiés en fonction de la fluence d’irradiation à l’aide des outils TCAD du logiciel SILVACO.

Abstract

The Large Hadron Collider (LHC) accelerator complex will undergo successive upgrades until 2025 to move to the high luminosity phase (HL-LHC).

To meet the experimental challenges of increasing instantaneous brightness by up to a factor of 7 over the LHC design 1034 _cm2_-s-1_{, the ATLAS experiment will undergo a} complete replacement of the internal trajectometer (Inner Tracker - ITk) of the tracking system to maintain and improve the performance of the current detector. Indeed, these improvements correspond to an increase of about 140 to ~ 200 events per packet crossing compared to 50 collisions at the LHC; to this end, an all-silicon technology was chosen.

During the operation of the HL-LHC, in order to achieve high precision in the studies of the physical processes of the Standard Model and the research of new physics, the proton collider will have to provide an integral luminosity of the order of 400 fb-1 per year, and 4000 fb-1 for ten years. This is an order of magnitude greater than the entire LHC period.

For reasons of optimizing the production cost for large silicon surfaces and increasing the efficiency of charge collection, n-on-p planar pixel sensors with very thin edges are promising candidates to equip parts of the new pixel system of the HL-LHC.

In this work, the performance of n-on-p planar sensors with active edges has been extensively studied at high irradiation fluences expected in the HL-LHC of up to1×10 + 16 neutrons equivalent. per cm2_{. The performances targeted in this study are the breakdown} voltage, the leakage current as well as the efficiency of the charge collection.

Taking advantage of the technique of secondary ion mass spectrometry (SIMS), an accurate representation of the structure was obtained in terms of the doping profile of the constituents of the detector. Radiation damage was modeled by a three-energy level trap model located in the band gap of p-type silicon and considering an increasing amount of charge in the oxide with the dose of irradiation. The physical parameters, such as the distribution of the hole density and the electric field in the depth of the 150 µm-thick sensors were studied as a function of the irradiation fluence using the TCAD tools of the SILVACO software.

صخلم

م عضخيس

عرس

و

تائيزجلا مداصم

( ريبكلا

LHC

تل )

يلاتتم ثيدح

ماع ىتح

2025

لاقتنلال

ةلحرم ىلإ

عاعشلاا

ةيلاعلا

)

LHC

(HL

عاعشلاا ةدش ةدايزل

امب يظحللا

ىلإ لصي

لماعم

7

ةيلاحلا ةميقلا نم

مداصملل

LHC

ةغلابلا

-. s

-cm

10

.

اذه يفو

راطلإا

ةبرجت عضختس

ATLAS

ادبتسلا

ل لماك ل

تائيزجلا عبتت زاهج

ةيزيلجنلإاب( يلخادلا

Inner TrackerI-ITk

)

ىلع ظافحلل

يلاحلا هئادا

يف .هنيسحتو

،عقاولا

وحنب ةدايز عم تانيسحتلا هذه قفاوتت

140

~ ىلإ

200

ةمزح لكل ثدح

ائيزج

ت

ةرباع

ب ةنراقم

50

داصت

م

يف

LHC

.

هذهل اقيقحت

،ةياغلا

مت

معتسا رايتخا

ا

ل

لونكت

ا ايجو

حطسلأ جاتنلإا ةفلكت نيسحتب قلعتت بابسلأو .لماكلاب نوكيليسل

عمج ةءافك ةدايزو ةريبكلا نوكيليسلا

،تانحشلا

تارعشتسم دعت

سكيبلا

ل

ةيوتسملا

n-on-p

تاذ

ةحشرم ادج ةعيفرلا فاوحلا

ةدعاوو

ماظن ءازجأ زيهجتل

سكيبلا

ل

ةديدجلا

مداصملل

)

LHC

-(HL

وه لمعلا اذه نم فدهلا .

تارعشتسملا ءادأ ةسارد

ةيوتسملا

n-on-p

ةطشنلا فاوحلا تاذ

لبق

دعبو

اهضرعت

.عاعشلإل

لماوعلا ضعبل ليصفتلاب قرطتلا مت ةساردلا هذه للاخ

ةيئايزيفلا

ةمهملا

دهجك

رايهنلاا

رعشتسملل

،

رايت

،برستلا

قثلا ةفاثك عيزوت

و

تانورتكللااو ب

(les

électrons et les trous)

ةءافك ،

مج

ع

رورم نع ةجتانلا تانحشلا

تاميسجلا

لقحلاو

يئابرهكلا

كمسب رعشتسملا قمع يف

150

ورکيم

رتم

ةاكاحم مت يلاتلابو

ليثمتو

فشاك

عاعشلاا

capture)

)

لكشب

جمانرب مادختساب قيقد

TCAD

-SILVACO

.

Listes des acronymes et abréviations

LHC: Large Hadron Collider

CERN: European Organization for Nuclear Research LEP : largest electron-positron accelerator

ATLAS: A Toroidal LHC Apparatus CMS: Compact Muon Solenoid

ALICE: A Large Ion Collider Experiment LHCb: LHC beauty

MOEDAL: Monopole and Exotics Detector At the LHC LHCf: Large Hadron Collider forward

TOTEM: TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement FASER: Forward Search Experimental

ID: Inner Detector 𝑛 :Pseudorapidité

SCT: Semiconductor Tracker TRT: Transition Radiation Tracker HL-LHC : High Luminosity LHC R D : Recherche et développement

√s : l’énergie de collusion des particules au centre de masse fb : femtobarn, unité de mesure de section efficace

SUSY: supersymmetry

WIMP: Weakly interacting massive particles LS: Long Shutdown

LINAC: Linear Accelerator ITK: Inner tracker

GR: Guard ring SC : semi-conducteur EG : Energie bandes gap

SILVACO: Silicon Valley corporation ATLAS: A Toroidal LHC Apparatus

TCAD : Technologie de conception assistée par ordinateur SRH : Shockley-Read-Hall

W : largeur de charge d’espace. ∇: Gradient.

𝑁𝐴: Densité de dopants accepteurs ionsisés dans un matériau P (cm-3 ).

𝑁𝐷 : Densité de dopants donneurs ionisés dans un matériau N (cm-3).

𝐺𝑛 : Taux de génération des électrons.

𝐺𝑃: Taux de géneration des trous.

𝐽𝑛 : Densité du courant des électrons.

𝐽𝑃 : Densité du courant des trous.

P : Dopage de type accepteur (densité des trous). n : Dopage de type donneur (densité des électrons ) . 𝑛𝑖 : Densité de porteurs libres intrinsèques (cm-3)

q : charge électrique élémentaire (1.6 × 10−19₎

Dn : coefficient de diffusion des électrons Dp sont les coefficients de diffusion des trous

𝜀0 : permittivité absolue de vide (8.85 × 10−12 𝐹. 𝑚−1)

𝜀𝑟 : Permittivité relative du matériau (F. m-1)

𝜇 : mobilité des porteurs

𝜇𝑛: Mobilité des électrons (cm2.v-1. S-1)

𝜇𝑝: Mobilité des trous (cm2.v-1. S-1)

T : température(k) BC : bande de la conduction BV : bande de la vacance V : la tension (v) Ф :Potentiel électrostatique (V) 𝑉𝑏𝑖 : La tension "building"(v) 𝑉𝐶 : Tension du claquage (V)

𝑉𝑓𝑑 : Tension de déplétion totale

F : Champ électrique (V/cm2₎ W : Largeur de charge d'espace

𝑁𝑒𝑓𝑓: concentration effective dans la région la moins dopée

𝐼𝑓𝑢𝑖𝑡𝑒 : Courant de fuite.

C(v) :la capacité

A : la surface de la diode

𝜏𝑛 :la durée de vie des électrons 𝜏𝑝 : la durée de vie des trous.

Liste des figures

Figure 1.1 : Tableau représentant approximativement les constituants fondamentaux de la matière[15]. ..18

Figure 1.2: Ce diagramme montre les emplacements des quatre principales expériences (ALICE, ATLAS, CMS et LHCb) qui se trouve au LHC. Situées entre 50 et 150 m sous terre, d’immenses cavernes ont été creusées pour installer les détecteurs géants[19]. ...19

Figure 1.3: Le détecteur ATLAS du LHC[24]. ...20

Figure 1.4: Vue schématique d’un détecteur ATLAS, montre la stratégie de détection de différentes particules[25]. ...21

Figure 1.5: Disposition des différentes couches constituant le trajectographe : tonneaux dans la partie centrale (gauche), et disques (droite) assurant une couverture angulaire complète jusqu’à |η|= 2.5 (seulement 2.0 pour le détecteur à rayonnement de transition)[26]...22

Figure 1. 6: Le dessin actuel du détecteur interne d’ATLAS, y compris la couche supplémentaire de détecteur IBL. ...23

Figure 1.7: Vue schématique du détecteur à pixels hybride d’ATLAS. Le circuit de lecture est inter- connecté au détecteur pixel avec des billes de soudure d’un diamètre de 10 à 20 µm. ...24

Figure 1.8: Schéma de principe du fonctionnement d'un détecteur micro-piste de silicium planaire (2D) de type n. Dans cet exemple les pistes (les bandes parallèles) sont des zones dopées p+. La polarisation du détecteur se fait par l’application d’une tension de polarisation entre le métal commun arrière et les pistes ...25

Figure 1.9: Chronologie du programme LHC de référence et de ses phases d’amélioration montrant l’énergie des collisions (lignes supérieures, en rouge) et la luminosité instantanée (lignes inférieures en vert). Le deuxième long arrêt (LS2) en 2019-2020 verra la consolidation de l’accélérateur et le projet d’amélioration du système d’injecteurs du LHC. Après le troisième long arrêt (LS3) en 2024-2026, la machine sera dans sa configuration HL-LHC. ...27

Figure 1.10: Présentation schématique de l’ITk pour la phase HL-LHC d’ATLAS. Ici, un seul quadrant et uniquement des éléments détecteurs actifs sont représentés. L’axe horizontal est l’axe le long de la ligne de faisceau, zéro étant le point d’interaction. . L’axe vertical est le rayon mesuré à partir de l’IP. ...28

Figure 1.11: (en haut) la conception actuelle du capteur ATLAS et (en bas) la conception du capteur IBL. La face avant et les anneaux de garde à l’arrière du capteur sont superposés. ...30

Figure 1.12: Un détecteur 3D (à droite) comparé à un détecteur planaire standard. La même charge produite par la traversée d’une particule ionisante (environ 24 000 électrons) est recueillie par un détecteur 3D sur une distance bien plus courte avec une vitesse plus élevée et avec une tension de polarisation correspondant à un appauvrissement complet dix fois plus faible. ...32

Figure 1.13: Les conceptions de capteurs 3D mises en œuvre dans IBL[27]: (a) avec des colonnes, traversant partiellement le volume (conception CNM) et (b) avec des implants de colonne à passage intégral (conception FBK) ...33

Figure 2. 1 : Schéma d’une maille d’un réseau cristallin d’atomes de silicium. La distance ‘a’ est la constante de réseau qui est pour le silicium 5.431 Å. ...35

Figure 2. 2: La formation de bandes d’énergie comme le cristal de réseau de diamant est formée en réunissant des atomes de silicium isolés. ...36

Figure 2. 3: Silicium intrinsèque. (a) Diagramme schématique des bandes. (b) Densité d’états. (c) Distribution de Fermi-Dirac (d) Concentration des porteurs. ...39

Figure 2. 4: (a) Si de type n avec donneur (phosphore). (b) Si de type p avec accepteur (bore). ...40

Figure 2. 5: Vitesse moyenne des électrons en fonction du champ électrique (cas du Si et du GaAs) ...43

Figure 2. 6 : Variation de la mobilité en fonction du dopage pour différentes températures ...44

Figure 2. 7: Variation de la résistivité en fonction du dopage pour différentes températures ...45

Figure 2. 8: Capture et émission d'un piège dans la bande interdite à un niveau d'énergie Et. ...48

Figure 2. 9: Diagramme de bande d'énergie pour le processus d’avalanche. ...53

Figure 2. 10 : Multiplication d’avalanche d’un courant d’électrons initial In(0) à la valeur In(W) ...54

Figure 2. 11 : Représentation schématique d'une jonction pn en équilibre thermique ...55

Figure 2. 12 : Représentation a) de la densité de charge 𝜌(𝑥) et b) du champ électrique, F(x) à l'intérieur d'un détecteur décrit comme une jonction abrupte ...56

Figure 2. 13: Coupe transversale à travers un capteur de silicium pour le volume de type n (a et b)-type p (c et d)[54]. ...59

Figure 2. 14 : La caractéristique I-V pour une diode en polarisation inverse. La figure insérée montre I-V

avant Vfd. [55]. ...60

Figure 2. 15 Principe de détermination de la tension 𝐕𝐟𝐝de dépeletion totale. [55] ...62

Figure 3- 1 : Le pouvoir d’arrêt des muons positifs dans le cuivre en fonction de la quantité de mouvement des muons[57]. La ligne continue représente le pouvoir d’arrêt total du muon[57]. ...65

Figure 3- 2 : Le Bethe dE/ dx et l'énergie la plus probable de Landau par unité d'épaisseur 𝛿 p/ x dans le silicium. L'ionisation minimale (dE/ 𝑑𝑥𝑚𝑖𝑛) est de 1,664 MeV g-1_cm2_{. Les pertes radiatives sont} exclues. Les particules incidentes sont des muons.[58] ...66

Figure 3- 3: Effet photoélectrique (Un photon d’énergie hν0 est absorbé par un atome du milieu dont le retour à l’état fondamental passe par l’éjection d’un photoélectron d’énergie T,Suivie d’une réorganisation électronique caractérisée par l’éjection d’électrons Auger ou l’émission des photons de fluorescence ...68

Figure 3- 4 : Effet Compton ...69

Figure 3- 5: Effet de matérialisation ...70

Figure 3- 6 :Importance relative des trois modes d’interactions électro magnétiques en fonction de l’énergie du photon incident et du numéro atomique du milieu cible [60]. ...70

Figure 3- 7 : Les différents processus d’interaction ...71

Figure 3- 8: Une sélection exemplaire de déplacements d’atomes dans le réseau de silicium provoqués par des interactions des particules incidentes. V - lacune ; I - interstitiel ; V2 - di-lacunes ; VOi - combinaison d’un site vacant et d’interstitiel d’un atome d’oxygène ; CiOi - combinaison d’interstitiel de carbone et d’oxygène. ...73

Figure 3- 9: Tension d’épuisement d’un capteur de type n de 300 µm d’épaisseur en fonction de la concentration de dopage effective absolue et de la fluence d’irradiation[63]. ...74

Figure 4- 1: Toute la chaîne de simulation dans Silvaco TCAD [66] ...78

Figure 4- 2:Interface utilisateur graphique BeckBuild (GUL)[67]. ...79

Figure 4- 3: Affichage de la fenêtre de base de DevEdit[68]. ...81

Figure 4- 4:Fenêtres de Tonyplot (3D et 2D)[69]. ...82

Figure 4- 5 : a) piégeage et retrait d'un électron, b) recombinaison d'un électron et d'un trou, c) piégeage et retrait d'un trou, d) tunnelage assisté par piège d'un électron. ...83

Figure 5.1: Coin zoomé du masque d’une matrice de pixels[1] ...91

Figure 5- 2:Un bref flux de processus pour fabriquer des détecteurs sans bord n-on-p[2] ...92

Figure 5- 3 : La réalisation technologique du projet (M1- M11 représentent les 11 masques). ...93

Figure 5.4 : Image du système Cameca IMS-7F dans le laboratoire GEMAC. ...95

Figure 5.5: Profils de dopage du pixel et P-Spray obtenus par des mesures SiMS[7]. ...96

Figure 5.6: Profils de dopage de la région du bord du capteur obtenu par des mesures SiMS .96 Figure 5.7: Profils de dopage de la face arrière du capteur obtenu par des mesures SiMS ...97

Figure 5.8: image de la station de sonde semi-automatique avec un mandrin à température contrôlée et avec un Système DAQ Keithley Instruments utilisé pour maîtriser une station de sonde et effectuer des mesures électriques de haute précision. L’équipement fait partie de la plateforme CAPTINOV, située dans la salle blanche du LAL. ...98

Figure 5.9 : Positionnement de la sonde sur l’échantillon à tester dans une chambre de mesure hermétique et un écran moniteur de visualisation de l’échantillon ...99

Figure 5.10 : Schéma de mesure de courant de fuite globale ...101

Figure 5.11 : Schéma de mesure de la capacité totale ...102

Figure 6. 1: Evolution du courant de fuite en fonction de la tension de polarisation inverse pour les structures de test des échantillons de 150 μm mesurée avant irradiation. ...104

Figure 6. 2: Evolution du courant de fuite en fonction de la tension de polarisation inverse pour les structures de test des échantillons de 100 μm mesurée avant irradiation. ...104

Figure 6. 3:Mesures de tension de déplétion avant irradiation pour la structure de test « 1-150µm ». ....105 Figure 6. 4: Mesures de tension de déplétion avant irradiation pour la structure de test « 2-150µm. ». ...106 Figure 6. 5 : Mesures de tension de déplétion avant irradiation pour la structure de test « 3-150µm. » ...106 Figure 6. 6: Mesures de tension de déplétion avant irradiation pour la structure de test « 1-100µm ». ...106 Figure 6. 7 : Mesures de tension de déplétion avant irradiation pour la structure de test « 2-100µm » . .107 Figure 6. 8 : Mesures de tension de déplétion avant irradiation pour la structure de test « 3-100µm ». ..107 Figure 6. 9: Coupe schématique transversale du capteur de pixels à bord actif plan n-sur-p avec un

anneau de garde et un rail de polarisation[71]. ...110

Figure 6. 10: Représentation 3D et coupe transversale 2D agrandie de la concentration nette de

dopage dans le capteur de pixels de bord actif plan n-sur-p en fonction de la profondeur de la jonction. Les couches d’oxyde ne sont pas représentées en représentation 3D. Echelle en log (concentration / cm3). ...111

Figure 6. 11: Simulation de la distribution de trous sous une polarisation de tension inverse de

-150V pour : non irradié (a), irradié avec des fluences 1015 _{neq / cm2 (b), irradié avec des} fluences 1016 _{neq / cm2 (c).la figure (d) représente la simulation de la distribution des trous 1D} le long d'une ligne de coupe verticale à partir de la surface au centre du pixel (125 µm) pour les trois cas. ...115

Figure 6. 12 : Comparaison du courant de substrat entre les données (en noir) et la simulation avant

irradiation. ...116

Figure 6. 13. Simulation du courant du substrat après irradiation à 248 ° K, pour les deux fluences. ...116 Figure 6. 14: Simulation de Champ électrique en fonction de la position pour les deux fluences à différentes

tensions de polarisation inverse à 248 ° K. ...117

Figure 6. 15: Simulations du CCE après irradiation pour les deux fluences à 248 ° K à différentes tensions

Liste des tableaux

Tableau 4- 1 : Groupes de commandes Atlas avec les instructions principales dans chaque groupe. ...81

Tableau 4- 2 Paramètres définis dans la déclaration du modèle de la mobilité qui dépendant du champ électrique dans le simulateur Silvaco . ...85

Tableau 5. 1 : Résumé des caractéristiques géométriques du capteur[71] ...90

Tableau 6. 1 : Mesures de la tension de claquage. ...104

Tableau 6. 2:Mesures de la tension de déplétion des échantillons de 150µm. ...107

Tableau 6. 3: Mesures de la tension de déplétion des échantillons de 100µm. ...108

Tableau 6. 4 : Paramètres pour les fluences jusqu’à 7 × 1015 _{neq / cm}2 _...112

Tableau 6. 5: Paramètres pour les fluences dans la plage 7 × 1015 _{neq / cm}2_{–1,5 × 10}16 _{neq / cm}2 ₁₁₂ Tableau 6. 6: Charge d’oxyde et densité de pièges d’interface introduites dans le modèle de défauts en surface ...112

Introduction

Le grand collisionneur de hadrons (en anglais : Large Hadron Collider-LHC) de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) est le plus grand accélérateur de particules au monde [1]. Lors de la première exécution réussie du LHC de 2010 à 2013, la dernière particule restante du modèle standard de physique des particules, le boson de Higgs, a été découverte[2], [3].

Au cours des prochaines années, le LHC sera mis à niveau et amélioré et la phase « haute luminosité » commencera en 2023. La luminosité instantanée sera multipliée par un facteur sept par rapport à la luminosité de conception du LHC (1034 _cm−2_s−1_{). Cette} amélioration est un défi pour les capteurs au silicium pixélisés qui sont des détecteurs de trace les plus précis pour le suivi des particules chargées dans les expériences de la physique des hautes énergies. Situés au plus près du point d’interaction, les capteurs en silicium sont tenus de fonctionner dans un environnement de rayonnement hostile [4].

Dans le cas des expériences du LHC et compte tenu du cycle de fonctionnement actuel de 10 ans, les capteurs en silicium situés à 3 cm de distance du point d’interaction, ont été exposés à des fluences de l’ordre de 1−2×1014 _{1MeV neutron équivalent /cm²/an} (neq/cm²) et à une dose ionisante d’environ 10 Mrad. La couche la plus interne de l’expérience ATLAS [5] IBL (en anglais : Inserted B-Layer) a été conçue pour survivre à une luminosité intégrale de 550 fb-1_{, correspondant à une fluence totale d’environ} 5×10+15 _n

eq/cm², y compris un facteur de sécurité de 1,5 avant le remplacement complet du trajectographe interne ITk (en anglais : Inner Tracker) pour passer à la phase de haute luminosité (HL-LHC).

Ce projet vise à pousser les performances du LHC à leur maximum pour augmenter le potentiel de découvertes après 2027. L’objectif est d’accroître la luminosité d’un facteur 10 par rapport à sa valeur nominale. La luminosité est un indicateur important de la performance d’un accélérateur, elle est proportionnelle au nombre de collisions se produisant en un temps donné. Plus la luminosité est grande, plus les expériences récoltent de données, leur permettant d’observer des processus rares.

L’objectif de la mise à niveau du HL-LHC est d’étendre l’ensemble des données de ∼ 400 fb−1, collectées à la fin de l’ère du LHC, jusqu’à ∼ 4000 fb−1 à la fin du programme, prévu en 2036. A cet effet, il est nécessaire que les capteurs du trajectographe démontrent une tolérance aux radiations accrue et de bonnes performances dans des conditions de luminosité instantanée élevée (L=7.5×1034cm−2s−1) et pour des fluences qui pourrait dépasser φ=2.5×1016 neq/cm2 au niveau des couches internes [6].

La préoccupation majeure est d’augmenter la zone active globale dans le détecteur tout en maintenant une efficacité de collecte de charge élevée dans des conditions de rayonnement élevé. Plusieurs technologies sont en cours de développement pour résoudre ces problèmes, principalement les capteurs avec substrat type-p et avec des bords actifs[7] tout en optimisant les géométries des anneaux de garde et de polarisation. Les capteurs conventionnels utilisent des électrodes en anneau de garde pour diminuer progressivement le champ électrique vers le bord de la structure [8]-[9]. Cette approche conduit à filtrer la matrice de pixels des effets de bord, mais génère une zone de sensibilité réduite au bord de quelques centaines de microns. Pour traiter ce problème, de nouveaux types de capteurs caractérisés par une plus petite zone inactive au bord ont été développés. Ces capteurs dits « sans bord » divisés en deux sous-catégories, à bord mince et à bord actif. Dans le cas des capteurs à bord actif, le capteur est gravé et dopé plus près de la matrice de pixels [10]-[11].

L’objectif principal de ce travail est d’étudier une nouvelle structure de détecteur, implémentée sur un substrat de type p (n-on-p) avec un bord actif et d’analyser ses caractéristiques électriques. La recherche de solutions pour réduire significativement la taille de la région inactive des capteurs planaires n-on-p, à la fois à partir de simulations détaillées TCAD1 _{et par la fabrication et des tests sur des prototypes. Les pixels du} trajectographe actuel d'ATLAS comportent des régions inactives en bord de capteur variant entre 200 et 1100 µm. Dans ce travail de thèse, j’ai travaillé en étroite collaboration avec le groupe ATLAS du laboratoire de l’accélérateur linéaire (LAL) à l’université Paris Saclay sur des structures de 150 µm d’épaisseur fabriquées par ADVACAM-VTT2 _{. Dans ces capteurs la région inactive sur le bord est seulement 100} µm. En outre, des simulations avant et après irradiation montre qu’une efficacité supérieure à 98.2% est obtenue au milieu du dernier pixel après une fluence de φ=1×1015_n

eq/cm2 à partir d’une tension de polarisation de -200V et presque la même efficacité est obtenue après une fluence de φ=1×1016 _n

eq/cm2 à partir d’une polarisation de -700V.

Le simulateur Atlas, un des outils de simulation du logiciel SilvacoTM [12] est utilisé pour étudier les performances électriques du capteur. Pour obtenir une caractérisation plus réaliste de la structure, les données du profil de dopage ont été extraites à partir des mesures par la technique de spectrométrie de masse des ions secondaires SIMS (en anglais Secondary Ion Mass Spectrometry). La tension de

1_{Technology Computer Aided Design}

claquage, le courant de fuite, les distributions des porteurs de charge (trous, électrons), la distribution du champ électrique et l’efficacité de collecte de charge (CCE) avant et après irradiation sont présentés. L’irradiation considérée est ajustée sur les conditions HL-LHC, en tenant compte des particules chargées et les particules neutres ainsi que des photons de rayons X.

Cette thèse se compose de six chapitres.

Le premier chapitre présente un bref aperçu du CERN, ses recherches et ses découvertes.

Dans le deuxième chapitre, les concepts théoriques de la physique des semi-conducteurs sont présentés et le principe de fonctionnement d’un détecteur de particules à semi-conducteur est abordé.

Des généralités sur l’interaction rayonnement-matière et les propriétés des effets d’radiations sur les détecteurs à semi-conducteurs sont étudiés dans le troisième chapitre. Le quatrième chapitre, est consacré à la description du logiciel Silvaco TCAD et les méthodes de simulation.

Le cinquième chapitre, est consacré à l'ingénierie des capteurs à bords actifs ainsi qui’une présentation des dispositifs expérimentaux utilisés pour la caractérisation des capteurs.

Le sixième chapitre résume les résultats de cette étude ainsi que leurs analyses à partir de la simulation des détecteurs avant et après irradiation.

Chapitre I : Le LHC et les détecteurs de

particules

1. Le Modèle standard de la physique des particules

Le modèle standard de la physique des particules est la théorie qui décrit les trois des quatre forces fondamentales dans l'univers (les interactions électromagnétiques, faibles et fortes, sans compter la force gravitationnelle), ainsi que la classification de toutes les particules élémentaires connues. Certaines de ces particules ont été étudiées et observées depuis longtemps, d’autres commencent à l’être, comme le fameux boson de Brout Englert-Higgs (BEH) prédit en 1964 et découvert en 2012 au LHC [13], [14]. Dans ce modèle, la matière est constituée de particules de spin1/2, qui sont au nombre de 12 et se séparent en 6 leptons (électron, muon, tau et leurs neutrinos associés) et 6 quarks (u, d, s, c, b, t). Leurs interactions sont régies par l’écriture d’un Lagrangien postulant l’existence de symétries de jauge. De ce postulat, découle l’existence de bosons responsables des interactions électromagnétiques, faibles et fortes. Les noms génériques des particules dans la Figure 1.1 sont souvent définis comme suit :

Fermions Les fermions sont les particules élémentaires de la matière. Ces particules se répartissent en leptons et en quarks, suivant trois générations qui ne diffèrent l'une de l'autre que par la masse, plus élevée à chaque génération. La 1ère famille rassemble les particules stables à l’origine de la matière ordinaire : quarks up et down, électron et neutrino. Les 2 et 3ème famille sont présentes dans les rayons cosmiques juste après le big bang. Il existe deux types de fermions : les quarks et les leptons. En se regroupant, les quarks forment des hadrons, particules composites qui se classent en baryons (3 quarks), comme les protons ou les neutrons, et en mésons (formé d’un quark et d’un antiquark), comme les pions et les kaons.

Les leptons sont insensibles à l’interaction forte et ne peuvent former de particules composites.

Bosons vecteurs Les bosons peuvent être considérés comme les vecteurs des interactions fondamentales, à savoir la force électromagnétique, les forces nucléaires forte et faible. Ils transportent ainsi les quanta d'énergie nécessaires aux interactions qui permettent d’assembler les particules de matière pour former des particules composites.

Figure 1.1 : Tableau représentant approximativement les constituants fondamentaux de la matière[15].

2. Le grand collisionneur de hadrons

Situé à la frontière entre la Suisse et la France près de la ville suisse de Genève, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) repousse les limites de la connaissance humaine et ouvre une nouvelle fenêtre, qui nous permettra potentiellement un aperçu de la physique au-delà du modèle standard. Avec une circonférence de 27 km, le LHC est actuellement l’accélérateur le plus grand et le plus puissant au monde dédié à la recherche en physique des hautes énergies ( Figure 1.2). Il est situé de 50 à 150 m sous terre dans le même tunnel que celui utilisé pour le grand collisionneur électron-positron (LEP). Dans le LHC, les collisions de protons avec une énergie de centre de masse de 14 TeV à une luminosité nominale de (L = 1034_cm−2_s−1_{) et} des collisions d’ions plomb avec une énergie de centre de masse de 1150 TeV à une luminosité nominale de (L = 1027_cm−2_s−1_{) entraînent probablement une production de} nouvelles particules inconnues. Les principaux objectifs sont de comprendre et d’étudier les processus fondamentaux dans la nature et de quantifier les processus déjà connus des théories existantes. Cette connaissance est cruciale pour comprendre la structure fondamentale de l’univers. Le LHC est un accélérateur de hadrons supraconducteur à deux anneaux, qui maintient les deux faisceaux de protons ou d’ions de plomb en place et les concentre pour entrer en collision dans l’un des quatre points d’interaction (IP) dédiés aux

collisions de hadrons. Les quatre principales expériences sont ATLAS (A Toroïdal LHC ApparatuS)qui sera décrite plus en détail dans la suite[16], ALICE (A Large Ion Collider Experiment) a été conçu pour étudier les propriétés physiques de la matière soumise à l’interaction forte, à des densités d’énergie extrêmes auxquelles une phase de la matière appelée plasma quarks-gluons se forme. [17], CMS (Compact Muon Solénoïde) est un détecteur polyvalent installé sur l’anneau du LHC. Il a été conçu pour explorer un large éventail de domaines de la physique, allant de la recherche du boson de Higgs à celle d’autres dimensions, en passant par la quête des particules qui pourraient constituer la matière noire. Il est construit autour d’un énorme solénoïde supraconducteur. Ce dernier se présente sous la forme d’une bobine cylindrique de câble supraconducteur produisant un champ magnétique de 4 Teslas, une valeur environ 100 000 fois supérieure au champ magnétique terrestre. [18], LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) est consacré à l’étude des quarks b pour but de répondre à la question : pourquoi l’antimatière semble-t-elle avoir disparu ? Pour cela cette expérience va étudier la différence entre matière et antimatière artificiellement créée au LHC avec des quarks beauté.

C’est un détecteur spécialise dans la détection des particules contenant un quark-b contrairement à CMS et ATLAS qui sont polyvalents. Ces particules sont souvent émises à bas angles (près du faisceau). Ce détecteur fait 21 mètres de long, pèse 5600 tonnes.

L’expérience LHCb utilise une série de sous-détecteurs alignés qui détectent principalement les particules s’échappant vers l’avant. Le premier sous-détecteur est installé près du point de collision, les suivants sont alignés l’un à cote de l’autre sur une longueur de 20 m [5].

Figure 1.2: Ce diagramme montre les emplacements des quatre principales expériences (ALICE,

ATLAS, CMS et LHCb) qui se trouve au LHC. Situées entre 50 et 150 m sous terre, d’immenses cavernes ont été creusées pour installer les détecteurs géants[19].

3. L’expérience ATLAS

Le détecteur ATLAS montré dans la Figure 1.3 est une structure hermétique conçue pour identifier et mesurer les particules provenant des collisions proton-proton. Le détecteur ATLAS est principalement caractérisé par son énorme système magnétique toroïdal. Celui-ci est composé de 8 bobines supraconductrices de 25 m de long sur 5m de large (le plus grand aimant au monde !) enfermées dans un cryostat. Cela crée un champ magnétique toroïdal de 4T perpendiculaire au faisceau de protons. ATLAS est le plus grand détecteur jamais construit pour un collisionneur. Sa structure est celle d’un détecteur de physique de particules offrant une couverture angulaire la plus large possible. En partant du point de collision et en se dirigeant vers l’extérieur, on trouve :

Le détecteur interne (ID)[20], le calorimètre électromagnétique[21], le calorimètre hadronique[22] et le système à muons[23]. La conception du détecteur ATLAS est motivé par le choix de l’aimant supraconducteur pour l’identification des muons consistant en un grand appareil toroïdal avec un champ magnétique inhomogène jusqu’ à 4 Teslas. Un solénoïde central supplémentaire entoure l’ID et crée un champ magnétique presque homogène de 2 Tesla le long de la direction du faisceau. Ces différents systèmes offrent généralement une haute précision dans la région centrale.

Figure 1.3: Le détecteur ATLAS du LHC[24]. 3.1.

Système de coordonnées

Le système de coordonnées du détecteur ATLAS est défini en coordonnées cylindriques avec l’origine au point d’interaction (IP), au centre géométrique du détecteur. L’axe z pointe le long de la ligne de faisceau, l’azimut est l’angle autour de

l’axe z et la distance radiale de la ligne de faisceau r. Un paramètre supplémentaire est donné par la pseudorapidité η3_{. Ceci est défini comme :}

𝑛 = −𝑙𝑜𝑔 (tan𝜃 2)

où ϑ est l’angle entre l’impulsion des particules et l’axe z. Par conséquent, η = 0 indique une particule sortant de l’IP avec une direction perpendiculaire à la ligne de faisceau, tandis que η=∞ est la direction de la ligne de faisceau. Le détecteur ATLAS assure une couverture sur l’ensemble du ϕ, presque tout l'angle solide 4π entourant l'IP.

Actuellement, une couverture partielle jusqu'à |η| < 3 dans le détecteur de pixels est assurée.

Figure 1.4: Vue schématique d’un détecteur ATLAS, montre la stratégie de détection de différentes particules[25].

3.2. Le détecteur de traces

Le détecteur de traces, ou trajectographe illustré à la Figure 1.5 , est le sous-système interne le plus proche du faisceau des collisions. De forme cylindrique et environ 2.2 m de diamètre par 6.2 m de long, il permet de déterminer la charge, les positions successives et le moment des particules qui le traversent. La présence d’un champ magnétique de 2 Tesla créé par un solénoïde autour du détecteur de traces, permet de courber les particules

3_{En physique des particules expérimentale, la pseudorapidité, est une coordonnée spatiale couramment utilisée pour}

chargées selon leur moment. Ce détecteur se compose de trois sous-détecteurs basés sur trois technologies différentes : le détecteur à pixels, le détecteur à micropistes de Silicium (SCT Semi Conductor Tracker) et le trajectographe à rayonnement de transition (TRT Transition Radiation Tracker). La Figure 1.5 présente la disposition générale des différentes couches de détecteurs.

Figure 1.5: Disposition des différentes couches constituant le trajectographe : tonneaux

dans la partie centrale (gauche), et disques (droite) assurant une couverture angulaire complète jusqu’à |η|= 2.5 (seulement 2.0 pour le détecteur à rayonnement de transition)[26].

3.2.1. Le détecteur à pixels :

Le détecteur à pixels présenté sur la Figure 1.5, est positionné près des faisceaux, à une distance radiale entre 5 et 15 cm. Cette proximité, est nécessaire pour assurer une reconstruction précise des vertex dans les conditions nominales de collisions (plusieurs dizaines d’interactions proton-proton simultanées). Ce détecteur fait 1,4 m de long et de 50 cm de diamètre, est composé de 3 couches de semi-conducteurs (diodes de silicium polarisées en inverse) sous forme de pixels individuels de taille 50× 400 µm, et d’épaisseur 250 µm. Contient ~80 millions de cellules en silicium, dont 67 millions dans la partie cylindrique et 13 millions sur les disques aux extrémités. Une quatrième couche de pixels, IBL (Insertable B Layer) illustré dans la Figure 1. 6 , a été insérée en 2014 entre le tube à vide du faisceau et la première couche de pixels. Elle est située à 3.3 cm du point d’interaction. Cet ajout de plus de 6 millions de pixels a permis d’assurer une détermination précise des vertex et une bonne détection des événements faisant par le quark b[27].

Figure 1. 6: Le dessin actuel du détecteur interne d’ATLAS, y compris la couche supplémentaire de

Une vue schématique d’une cellule de pixels dans un détecteur de pixels hybride est représentée sur la Figure 1.7 . Le module de base est un capteur hybride pixellisé en silicium, où chaque pixel est relié à son électronique de lecture individuellement par une microbille métallique. Chaque microbille détermine la position d’un pixel. Les capteurs sont des jonctions de type n+_{-n-p, afin de conserver un pixel fonctionnel après la transition} n en p sous l’effet des radiations, la dégradation étant compensée par une augmentation de la tension de polarisation (150 V initialement, puis rehaussé jusqu’ à 600V).

Par ailleurs, l’utilisation de silicium oxydé permet également de réduire l’impact des radiations (abaissement de la tension de polarisation). Malgré cette technologie avancée, la durée de vie du détecteur à pixels n’est que de quelques années. Les pixels sont regroupés avec leur alimentation et l’´électronique de lecture en 1744 modules comportant chacun 46080 canaux. Afin d’assurer une couverture complète, les modules se recouvrent partiellement, étant montés avec un angle d’inclinaison de 20◦par rapport à la normale au rayon ; cette valeur est également liée à l’angle de dérive des porteurs dans le silicium en présence du champ magnétique[28].

Figure 1.7: Vue schématique du détecteur à pixels hybride d’ATLAS. Le circuit de lecture est inter-

connecté au détecteur pixel avec des billes de soudure d’un diamètre de 10 à 20 µm.

3.2.2. Le détecteur à pistes (SCT)

Il complète le détecteur à pixels et a pour but principal la mesure précise de l’impulsion des traces. Il est constitué de quatre doubles couches cylindriques de semi-conducteurs, complétées par neuf disques de part et d’autre. L’ensemble occupe une portion du détecteur comprise entre des rayons de 30 et 56 cm. Chaque couche est divisée en fines bandes de 80 µm de largeur, pour une longueur de 6 cm et une épaisseur de 285 µm. Les deux composantes de la double couche sont orientées avec un angle différentiel de 40 mrad, de manière à former artificiellement des pixels d’une hauteur d’environ 2 mm. Cette

architecture permet de disposer d’une précision similaire au détecteur à pixels, mais avec un nombre de canaux bien plus réduit : le SCT couvrant une surface active de près de 63 m2_{, ceci représenterait plusieurs centaines de millions de pixels[29].}

La disposition en bande limite ce nombre à 6.3 millions de canaux, répartis en 4088 modules de 2× 768 pistes. La conception des capteurs correspondant à la Figure 1.8 est d’ailleurs plus simple (jonctions pn, lithographie mono-face) que pour le détecteur à pixels, qui doit subir un flux de radiation bien plus important mais couvre une surface plus réduite.

Figure 1.8: Schéma de principe du fonctionnement d'un détecteur micro-piste de silicium planaire (2D)

de type n. Dans cet exemple les pistes (les bandes parallèles) sont des zones dopées p+. La polarisation du détecteur se fait par l’application d’une tension de polarisation entre le métal commun arrière et les pistes

Les modules sont montés avec une inclinaison de 11◦, pour les mêmes raisons que le détecteur à pixels. La tension de fonctionnement sera de 150 V au démarrage, mais devra être augmentée dans une plage de 250 à 450 V après 10 ans de fonctionnement, à cause des dommages liés `a l’exposition aux radiations. Ce détecteur fonctionne à une température de -5 à -10 C°, avec un système de refroidissement similaire à celui des pixels.

3.2.3. Le détecteur à rayonnement de transition (TRT)

Il s’agit de la partie externe du trajectographe et celle occupant le plus grand volume, entre des rayons de 55 cm et 1.1 m. Son rôle est de fournir un grand nombre de points de mesure d’une trajectoire afin d’aider à les identifier, ainsi que de reconstruire les traces de particules produites avec un certain retard et ayant donc laissé peu ou pas de signaux dans les couches de précision, par exemple un électron issu de la conversion d’un photon[30]. Il est constitué d’un grand nombre de chambres à dérive disposées longitudinalement dans la région centrale (segmentée en deux parties à η = 0), et

radialement dans les bouchons (|η| > 1.0). Les chambres se présentent sous forme de pailles de polyamide de 4 mm de diamètre, et d’une longueur respective de 144 ou 37 cm dans la région centrale ou les bouchons. La résolution polaire est donc très mauvaise. Elles sont disposées dans une structure de support en fibres de carbone constituée dans la région centrale de trois anneaux concentriques divisés en 32 modules triangulaires, et de 20 roues de part et d’autre. Cet arrangement comporte 73 couches de pailles dans la région centrale, et 160 couches dans les bouchons, correspondant à un nombre total de pailles de respectivement 52544 et 122880. Comme il existe un décalage angulaire entre les couches, le nombre de pailles effectivement traversées par une particule est moindre. Toutefois, il est toujours au moins égal à 36, à part dans la région de transition 0.8 < |η| < 1.0 où il est réduit à 22. Les chambres sont opérées sous une tension de dérive de 1530 V, appliquée entre une cathode d’aluminium incorporée dans la paroi du tube (film de 0.2 µm d’épaisseur) et une anode formée d’un fil de tungstène doré de 31 µm de diamètre. Elles sont remplies d’un mélange de xénon (70%), de dioxyde de carbone (27%) et d’oxygène (3%). Cette combinaison permet une amplification des charges d’ionisation par un facteur 25000.

3.2.4. Le chemin vers le HL-LHC

Avant le premier arrêt long (LS) début 2013, le LHC a fourni environ 30 fb-1 _{de données} fonctionnant à √s=7eV pour les premières années et à √s=8eV à partir de 2012. Les prochaines phases du LHC amèneront le collisionneur à son centre nominal d’énergie de masse, √s=14eV , et augmenteront encore la luminosité grâce à une série de mises à niveau des accélérateurs aboutissant au HL-LHC.

3.2.5. Calendrier de mise à niveau

Le calendrier de mise à niveau du LHC, nécessitera trois périodes d’arrêts au cours desquelles l’accélérateur subira plusieurs mises à niveau, chacune suivie d’une analyse physique qui bénéficiera des améliorations de luminosité et d’énergie[31].

Le calendrier du programme LHC de référence tel qu’il se déroulera jusqu’en 2023. Après une première exploitation jusqu’au début de 2013 à une énergie au centre de masse de 7-8 TeV, le LHC a atteint une énergie de collision de 13 TeV en 2015 et sa luminosité nominale de 1×10 34 cm -1_s-1 en 2016. L’utilisation des marges de conception, couplée avec une première série d’améliorations pendant le deuxième long arrêt (LS2) en 2019-2020, devrait permettre sur la période 2021-2023 une exploitation au double de la luminosité nominale.

l’ensemble des paramètres faisceaux et de construire les éléments de l’accélérateur nécessaires pour qu’il atteigne les objectifs suivants[32] :

1. Une luminosité-pic de presque 7.5×10 34 _cm -2_s -1_{, limitée par l’empilement} maximal tolérable de 140 événements (en moyenne) par croisement des paquets de protons dans les détecteurs du LHC. Une luminosité intégrée annuelle de 250 fb -1 en vue d’atteindre 3 000 fb -1 durant la décennie.

Suivant le lancement en 2026 de l’exploitation du HL-LHC. Cette luminosité intégrée est environ dix fois supérieure à celle prévue à la fin du programme LHC de référence en 2023. L’objectif consiste à installer les principaux éléments du HL-LHC et d’effectuer la première mise en service de la machine dans sa nouvelle configuration au cours du troisième long arrêt (LS3) en 2024-2026. La Figure 1.9 décrit la phase HL-LHC faisant suite au programme LHC de référence.

Figure 1.9: Chronologie du programme LHC de référence et de ses phases d’amélioration montrant

l’énergie des collisions (lignes supérieures, en rouge) et la luminosité instantanée (lignes inférieures en vert). Le deuxième long arrêt (LS2) en 2019-2020 verra la consolidation de l’accélérateur et le projet d’amélioration du système d’injecteurs du LHC. Après le troisième long arrêt (LS3) en 2024-2026, la machine sera dans sa configuration HL-LHC.

3.2.6. Le détecteur ITk pour HL-LHC

ITk est le nom du trajectographe qui doit remplacer l’actuel détecteur interne d’ATLAS pour les prises de données du HL-LHC. Il fait partie du projet de mise à niveau pour la phase 2 d’ATLAS depuis l’origine, et en est l’élément de plus grande

ampleur. Les principales différences de ce détecteur par rapport à l’existant sont de deux ordres : les capteurs seront tous en silicium (une partie de l’actuel détecteur interne est un détecteur à transition de radiation), et la couverture angulaire sera étendue de 2.5 à 4 en pseudorapidité.

Les capteurs seront arrangés dans le tonneau en cinq couches de pixels et quatre couches de strips, et en anneaux dans les bouchons avant et arrière (Figure 1.10).

Figure 1.10: Présentation schématique de l’ITk pour la phase HL-LHC d’ATLAS. Ici, un seul quadrant

et uniquement des éléments détecteurs actifs sont représentés. L’axe horizontal est l’axe le long de la ligne de faisceau, zéro étant le point d’interaction. . L’axe vertical est le rayon mesuré à partir de l’IP.

Répondre à toutes les exigences d’un détecteur de suivi des particules chargées près de la ligne de faisceau au HL-LHC présente un défi unique pour la conception d’un système tout silicium qui se compose d’un détecteur de pixels à petit rayon et d’un détecteur de bande à grande surface l’entourant.

La conception de l’ITk bénéficie de l’énorme expérience acquise au cours de plus de deux décennies dans la construction et le fonctionnement du détecteur de poursuite interne existant qui a connu un grand succès pour l’exploitation de la physique du LHC jusqu’à et bien au-delà de ses exigences de conception d’origine. Cela est particulièrement vrai du système Pixel existant qui a été mis à niveau en 2015 lors du premier arrêt long (LS1) du LHC avec l’insertion d’une couche de pixels supplémentaire à moins de 3,4 cm de la ligne de faisceau. Ce qu’on appelle la couche b insérable (IBL) utilise une combinaison de technologies de capteurs, y compris des détecteurs silicium à haute résistivité, planaires et 3D[33]. Ces technologies sont également

proposées pour le détecteur de pixels ITk. La configuration présentée ici est basée sur l’une des configurations candidates décrites dans le Strip TDR appelé en anglais « Inclined Pixel Layout». Cette disposition est illustrée à la Figure 1.10 tirée de la référence [34].

Le design avec des modules « inclinés » représente des performances significativement meilleures que le design étendu discuté dans les études de mise à niveau d’atlas phase II[35]. Cette conception du détecteur présentée dans le Strip TDR combine un suivi central de précision en présence d’une moyenne de 200 événements d’empilement avec la possibilité d’étendre la couverture de suivi à une pseudorapidité égale à 4, tout en conservant une excellente efficacité et performance de suivi. L’ITk comprend deux sous-systèmes : un détecteur de bande entourant un détecteur de pixels. L’environnement du LHC et du HL-LHC, étant donné qu’ils permettent une optimisation séparée des éléments de détection et de lecture contre les effets des rayonnements. Un détecteur de pixels hybride est composé d’un volume sensible, du capteur et d’une puce de lecture pour traiter le signal produit dans le capteur. La segmentation fine se traduit par une bonne résolution de position des dispositifs de suivi. Avec des soudures de diamètre d’environ 20-30 µm, qui sont déposées sur chaque cellule de lecture, une connexion mécanique et électrique aux cellules du capteur est établie.

• Les capteurs planaires

La technologie de capteur planaire n+ _{-on-n est la technologie de capteur implémentée} dans le détecteur de pixels ATLAS. Les capteurs de pixels FE-I3 des trois couches externes sont constitués d’une masse dopée n de 250 µm d’épaisseur, tandis que les capteurs de pixels améliorés de l’IBL sont constitués d’une masse plus mince de 200 µm d’épaisseur.La majeure partie est constituée de silicium oxygéné Float Zone (FZ) pour une meilleure résistance au rayonnement des particules chargées [36].

La face avant du capteur est fortement dopée avec n + implants, définissant la taille de la cellule pixel avec la taille des n + implants. L’isolement des implants de pixels est réalisé avec un p-spray modéré, où une dose de p-spray plus élevée est implantée dans la zone centrale entre deux pixels à travers une ouverture de la couche de nitrure. L’arrière a un implant p + uniforme et forme, avec l’implant n + à motifs sur le côté avant, des électrodes parallèles. Il s’agit de la caractéristique clé de la technologie des capteurs planaires pour le module ATLAS actuel. Dans les trois couches externes, les modules sont composés d’un capteur interconnecté aux puces de lecture FE-I3. Le capteur a une taille de cellule de pixel de 50×400 µm2 _{organisée dans une matrice de 328×144 pixels plus des} pixels légèrement plus grands dans les 16 colonnes externes avec une taille de cellule de

50×600 µm2_{. Le capteur est fabriqué de telle manière qu’il peut être interconnecté à un} total de 16 puces de lecture. Avec cela, il constitue une zone de capteur active de 16,4 × 60,4 mm2_{. Dans le cas des capteurs FE-I4, les capteurs sont conçus pour être interconnectés} à deux puces de lecture avec une zone de capteur active de 16,8×40,9 mm2 _{avec deux} colonnes sur le bord et deux colonnes au milieu de la double puce utilisant des cellules de pixels plus longues de 50×500 µm2_{. Comme dans la puce de lecture FE-I4, le pas de pixel} du capteur FE-I4 est réduit à 250 µm dans la direction du faisceau, formant une taille de cellule de pixel compatible de 50× 250 µm2_{, pour atteindre une occupation de coup par} pixel plus faible avec une meilleure résolution dans la direction du faisceau.

Figure 1.11: (en haut) la conception actuelle du capteur ATLAS et (en bas) la conception du capteur

IBL. La face avant et les anneaux de garde à l’arrière du capteur sont superposés.

Un réseau de polarisation, dans lequel chaque pixel est connecté à un BR commun via un point de polarisation, fournit la haute tension via l’effet de perforation à FE-13 et en déplaçant partiellement les anneaux, situés à l’arrière, sous le implants n + les plus externes, situés sur la face avant, voir Figure 1.11.

Par conséquent, la zone est plus petite dans le capteur FE-I4. Dans le FE-I3, ainsi que dans les capteurs FE-I4, chaque cellule de pixel héberge son propre point de polarisation. Une différence entre les deux conceptions réside dans le nombre de GR mis en œuvre à l’arrière du capteur, où les GR contrôlent la chute de potentiel de la haute tension appliquée dans la zone à l’intérieur du GR le plus à l’arrière, au potentiel de terre sur les bords et le face avant. Le capteur FE-I3 héberge 22 GR. Il en résulte une zone morte

de 1,1 mm. Au lieu de cela, dans le capteur FE-I4, la région inactive a été réduite à 200 µm dans le sens de la colonne et à 450 µm dans le sens de la ligne en réduisant le nombre de GR inactive.

• Les capteurs 3D

Des capteurs 3D proposés en 1995 par Sherwood Parker de l’université de Hawaii et ses collègues, initialement pour résoudre le problème de la perte de charge dans les détecteurs à l’arséniure de gallium, ont été réalisés avec du silicium[37] . Des capteurs 3D à bords actifs, devraient montrer une collection efficace des charges jusqu’à un niveau de quelques micromètres de leurs extrémités physiques. Dans cette nouvelle configuration, les électrodes p + et n + pénètrent dans la masse du silicium au lieu d’une implantation limitée à la surface de la tranche. Les avantages de la technologie 3D par rapport à la technologie planaire traditionnelle sont schématisés dans la Figure 1.12. Comme le champ électrique est, non pas parallèle mais perpendiculaire à la surface du détecteur, on peut avoir une distance de collection des charges plusieurs fois inférieure, un temps de collection considérablement plus rapide et une valeur de la tension nécessaire pourétendre le champ électrique dans tout le volume entre les électrodes (appauvrissement complet).

Dans la technologie des capteurs planaires Figure 1.12-a, la distance minimale entre les deux électrodes est limitée par l’épaisseur active minimale réalisable du capteur. Au contraire, la conception du capteur 3D présente une technologie découplant l’épaisseur active du capteur de l’espacement des électrodes. Grâce à cela, la distance de dérive des paires d’électrons / trous générées dans la masse est réduite sans effet sur le signal de charge. Avant l’irradiation, la quantité de charge collectée est la même pour les capteurs planaires et 3D, tant qu’ils utilisent la même épaisseur de capteur.

Figure 1.12: Un détecteur 3D (à droite) comparé à un détecteur planaire standard. La même charge

produite par la traversée d’une particule ionisante (environ 24 000 électrons) est recueillie par un détecteur 3D sur une distance bien plus courte avec une vitesse plus élevée et avec une tension de polarisation correspondant à un appauvrissement complet dix fois plus faible.

La conception du capteur 3D IBL est réalisée en insérant des électrodes perpendiculaires à la surface du capteur dans le volume de type p. Le substrat de type p est choisi pour empêcher l’effet de l’inversion de type après des fluences d’irradiation élevées. Les électrodes sont produites en gravant des colonnes étroites dans le substrat en utilisant la gravure ionique réactive profonde (DRIE) [38] et ensuite dopée avec des implants n + et p +, où dans une cellule de pixel unique, deux colonnes n + sont entourées au total de six colonnes p +. Un champ électrique est généré entre des colonnes voisines dopées de manière opposée, comme illustré sur la Figure 1.12-b. L’espacement entre les colonnes n + définit la taille des cellules de pixels, tandis que l’espacement entre les colonnes dopées de manière opposée définit la distance de collection de charge. Dans le cas des modules mis en œuvre dans l’IBL, ils utilisent la taille de cellule de pixels FE-I4 de 50×250 µm2 _{et une distance de collection de charges} de 67 µm. Dans l’IBL, 25% des modules sont produits avec la technologie de capteur 3D, peuplant les parties extérieures des portées. Les modules 3D d’IBL emploient des capteurs de 230 µm d’épaisseur et sont produits par deux installations de traitement du silicium: le Centre Nacional de Microelectronica (CNM) et la Fondazione Bruno Kessler (FBK)[25]. Les deux technologies de capteur sont illustrées à la Figure 1.13 et utilisent le traitement double face, mais diffèrent principalement dans le processus de gravure des colonnesdopées.